石墨烯-铝基纳米叠层复合材料的制备及力学性能

发布时间：2020-03-22 09:11

【摘要】：传统金属基复合材料中,增强体均匀无序分布,此类复合构型在提高材料强度的同时也较大幅度地牺牲材料的塑韧性,制约其进一步发展与应用。反观自然生物材料(如骨头、木和贝壳)经过长期的进化而拥有精细的复合构型,充分发挥构型与复合的双重效益,具有优异的强韧化匹配。启迪于贝壳珍珠层叠层结构及其强韧匹配的构效关系,本论文在仿生纳米叠层构型石墨烯(还原氧化石墨烯,reduced graphene oxide,rGO)增强Al基复合材料制备的基础上,进一步研究了仿生复合材料中石墨烯片径对于复合材料力学性能的影响,探讨实现复合材料强度与塑性匹配的优化条件。本论文的主要研究结果如下:1.优化和制备不同横向片径大小的氧化石墨烯。利用超声分散实现小片径氧化石墨烯的单层分散。选择大片径的氧化石墨作为起始材料,通过精确调控化学氧化的时间与温度,以及后续超声处理的功率等参数,制备出较大片径的氧化石墨烯。三种氧化石墨烯的横向片径范围从亚微米到十几个微米,涵盖由剪切延滞理论所估算的临界值,可作为增强体模块并为后续制备复合模块奠定基础。2.实现石墨烯在铝基体中的有效均匀分散,采用改进的粉末冶金技术路线,实现块体仿生纳米叠层rGO/Al基复合材料的制备。首先利用湿法球磨制备具有高径厚比的微纳米片状Al粉作为基体模块,基于静电吸附机制的混合工艺以及后续热还原处理实现rGO/Al基复合模块的制备。采用冷压-真空烧结-热轧制等工艺实现rGO/Al基复合模块的自组装和致密化,制备致密且高度有序的rGO/Al基叠层复合材料。rGO/铝基复合材料的微观组织表征显示了高度有序的精细纳米叠层结构以及界面处rGO的分布与形貌。3.分析不同横向片径rGO对仿生纳米叠层构型rGO/Al基复合材料力学性能的影响,探究实现石墨烯/Al基纳米叠层复合材料强度与塑性匹配的优化条件。实验结果表明,石墨烯片径显著影响了仿生纳米叠层复合材料的力学性能。当石墨烯片径较小时,复合材料的强度随着片径增大而增大,但妥协了延展性。当石墨烯的片径足够大时,其强度略有下降,但其延展性恢复到与纯Al基体相当。大横向片径的石墨烯有利于实现仿生纳米叠层复合材料的强度与塑性的良好平衡。本研究显示了增强体的尺寸效应和复合材料的构型设计对实现金属基复合材料强韧化的重要意义,为高性能金属基复合材料的发展提供实验基础和理论依据。
【图文】：

复合材料,基体,硕士学位论文,形变过程

上海交通大学硕士学位论文引入可有效阻碍位错长程运动，加上其有效传递载荷的作用，使得复合材料的（服）强度相对于基体有较高的提升。而也可能是基体晶界处引入的增强相增大形变过程中界面处的应力集中，进而使复合材料在界面处容易先产生裂纹并且有有效阻止后续的裂纹扩展，最终导致复合材料韧（塑）性降低。

示意图,不均匀结构,增强体,高含量

有分离高含量增强体的不均匀结构的示意图。(b)Al2O3短纤维团结构[16]。具有分级混杂增强体 50 vol.% SiCp/6061Al 复合材料的(c) 团聚复合颗粒的均匀分布和 (d) 团聚相与基体的良好结合。chematic illustrations of microstructural inhomogeneity with isolated rse. (b) The microstructure of the 6061Al composites reinforced fromAs[16]. Microstructure of 50 vol.% SiCp/6061Al composite with hybrid ]: (c) homogeneous distribution of composite agglomerate particles anbonding between the agglomerate and matrix.棒状/层状/环状高含量增强体的不均匀结构复合材料，其或二维是连续的, 如图 1-3(a)所示。 Zhang 等[18, 19]通过结合真空压力浸渍法和挤压工艺成功制61Al 复合材料。它是由 45vol.%SiCp-6061Al 复合芯棒作为l 作为基体，如图 1-3(b-c)所示。直径 560 μm 的 45 vol.%有效地承载应力，，同时，相邻芯棒间的基体区域最大距离地承受应变和钝化裂纹，甚至在芯棒断裂后承担部分载荷1Al 复合材料相比，这种 MMCs 的断裂韧性提高了 35.1Al（见图 1-3(d)）。实验数据还表明了这种多芯复合材料显
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB333

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